(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学電池であって、
該電気化学電池は、
アノード層と、
カソード層と、
電解質層と
を備え、
該電解質層は、軸方向の長さおよび半径の中心を含む螺旋多層部材を形成するために、該アノード層と該カソード層との間に挿入され、該アノード層および該カソード層のうちの１つは、該電解質層とのイオンまたは陽子の連絡状態にあり、
該電気化学電池は、
該螺旋多層部材が、螺旋自体が閉じている閉じたフェルマー螺旋を形成し、かつ、該アノード層によって境界を定められた燃料チャネルおよび該カソード層によって境界を定められた酸化体チャネルを備えており、該燃料チャネルおよび該酸化体チャネルの各々が、該螺旋多層部材の該軸方向の長さに沿って第一の端部から第二の端部へと延びており、かつ、螺旋断面を備えることを特徴とする、電気化学電池。
【請求項２】
前記アノード層は、改質層をさらに備えている、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項３】
前記アノード層、前記電解質層、および前記カソード層の各々は、５μｍと２，０００μｍとの間の幅を有している、請求項１または請求項２に記載の電気化学電池。
【請求項４】
前記電気化学電池は、アノード支持型の電気化学電池、カソード支持型の電気化学電池、電解質支持型の電気化学電池、金属支持型の電気化学電池、または基板支持型の電気化学電池である、請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載の電気化学電池。
【請求項５】
前記燃料チャネルおよび前記酸化体チャネルの各々は、０．１ｍｍと５ｍｍとの間の幅を有している、請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載の電気化学電池。
【請求項６】
前記電解質層は、イオン伝導体または陽子伝導体を備えている、請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載の電気化学電池。
【請求項７】
前記電気化学電池は、固体酸化物燃料電池である、請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項に記載の電気化学電池。
【請求項８】
請求項１に記載の電気化学電池を作る方法であって、
該方法は、
前記アノード層を、螺旋自体が閉じている閉じたフェルマー螺旋の中に形成することであって、該アノード層は、第一の側および第二の側を有する、ことと、
前記電解質層を該アノード層の該第一の側の少なくとも一部分と結合させることと、
前記カソード層を該電解質層の少なくとも一部分と結合させることと
を包含する、方法。
【請求項９】
前記アノード層を形成することは、押し出し成形、ゲルキャスティング、または３−Ｄ印刷を包含する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記電解質層をアノード層の第一の側の少なくとも一部分と結合させることは、浸せき被覆またはゲルキャスティングすること、および該アノード層の前記第二の側をマスキングすることを包含する、請求項８または請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記アノード層の前記第二の側を脱マスキングすることと、改質触媒を該アノード層の該第二の側と結合させることとを包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記カソード層を結合させることは、浸せき被覆またはゲルキャスティングを包含する、請求項８〜請求項１１のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の電気化学電池を運転する方法であって、
該方法は、
燃料を、該電気化学電池の前記軸方向の長さに沿って前記第一の端部から前記第二の端部へと流れさせることであって、該燃料は、前記螺旋多層部材の前記半径の中心の付近で前記燃料チャネルに入る、ことと、
酸化体を、該電気化学電池を通って流れさせることであって、該酸化体は、該螺旋多層部材の該半径の中心の付近で前記酸化体チャネルに入る、ことと
を包含する、方法。
【請求項１４】
前記燃料および前記酸化体は、同一の軸方向に流れる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料および前記酸化体は、対向する軸方向に流れる、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
燃料電池、酸素ポンプ、センサなどの電気化学デバイスは、概して、最小の汚損で効率的に化学エネルギーを電力に変換する機会を提供する。電気化学デバイスは、概して電気化学電池を備え、該電気化学電池は、平面型、管形、またはモノリシック型の設計において利用可能である。様々な設計は、いくつかの欠点から不利益（例えば、平面型の固体酸化物燃料電池（「ＳＯＦＣ」）に関しては遅い起動、そして管形のＳＯＦＣに関しては低い容積出力密度）を被る。
【０００２】
管形の電池設計は、適正な耐熱衝撃性および高い機械的強度を示してきたが、他の電池設計に対して低い容積出力パッキング密度を有し得る。例えば、等しい量の電力を発生するためには、管形電気化学電池は、サイズにおいて平面型電気化学電池またはモノリシック型電気化学電池よりも概してかなり大きい。より大きな量の電力を発生するために、電気化学電池のサイズ（すなわち、直径または長さ）を増大させる欠点のうちの１つは、低い容積出力密度である。しかしながら、管形電池のサイズを低減することは、多くの管形電池を含んでいる電気化学電池スタックの容積出力密度を増大させ得る。残念なことに、スタック内のあまりにも多くの電池は、運転を複雑にし、かつ製造コストを増大させ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、管形電気化学電池の電力および電圧の性能を改善するニーズが存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記ニーズおよび他のニーズを満足させることにおいて、本教示は、電気化学電池に関し、該電気化学電池は、アノード層と、カソード層と、アノード層およびカソード層のうちの１つとのイオンまたは陽子の連絡状態にある電解質層と、アノード層に隣接する燃料チャネルと、カソード層に隣接する酸化体チャネルとを備え、アノード層、電解質層、およびカソード層は、閉じたフェルマー螺旋を一体的に実質的に形成している。
【０００５】
本教示の別の実施形態は、電気化学電池に関し、該電気化学電池は、多層部材を形成するために、アノード層とカソード層との間に挿入された電解質層を備え、該多層部材は、燃料チャネルおよび酸化体チャネルを備える閉じたフェルマー螺旋を実質的に形成し得る。アノード層、カソード層、および電解質層の各々は、実質的に平面の寸法を有し得、アノード層およびカソード層は、電解質とのイオンまたは陽子の連絡状態のうちの少なくとも１つの状態にあり得る。燃料チャネルは、アノード層によって形成された内側境界と、アノード層によって形成された外側境界とを備え得る。酸化体チャネルは、カソード層によって形成された内側境界と、カソード層によって形成された外側境界とを備え得る。
【０００６】
一部の実施形態において、アノード層はまた、改質層を有し得る。アノード層、電解質層、およびカソード層の各々は、約５μｍと約２ｍｍとの間の幅を有し得る。電気化学電池は、アノード支持型の電気化学電池、カソード支持型の電気化学電池、電解質支持型の電気化学電池、金属支持型の電気化学電池、または基板支持型の電気化学電池であり得る。燃料チャネルおよび酸化体チャネルの各々は、約０．１ｍｍと約５ｍｍとの間の幅を有し得る。電解質層は、イオン伝導体または陽子伝導体を備え得る。特定の実施形態において、電気化学電池は、固体酸化物燃料電池であり得る。
【０００７】
本教示の別の局面は、電気化学電池を作る方法に関する。方法は、第一の層を閉じたフェルマー螺旋の実質的に中に形成することであって、第一の層は、第一の側および第二の側を有し得る、ことと、第二の層を第一の層の第一の側の少なくとも一部分と関連づけることと、第三の層を第二の層の少なくとも一部分と関連づけることとを含み得る。一部の実施形態において、第一の層は事前焼成され得る。一部の実施形態において、第一の層および第二の層は焼成され得る。一部の実施形態において、電気化学電池の全体が焼成され得る。第一の層は、押し出し成形、ゲルキャスティング（ｇｅｌ−ｃａｓｔｉｎｇ）、３−Ｄ印刷、または予備成形テープ巻きによって形成され得る。第二の層は、第一の層と浸せき（ｄｉｐ）被覆またはゲルキャスティングによって関連づけられ得る。第三の層は、第二の層と浸せき被覆またはゲルキャスティングによって関連づけられ得る。第一の層の第二の側は、第二の層および第三の層の付与を容易にするためにマスキングされ得る。一部の実施形態において、第一の層および第三の層の各々は、電極材料を備え得、第二の層は、電解質材料を備え得る。一部の実施形態において、改質触媒は、第一の層の第二の側または第三の層の露出した側と関連づけられ得る。一部の実施形態において、第四の層は、第三の層と関連づけられ得、第一の層は支持であり、第二の層および第四の層は電極であり、第三の層は電解質である。
【０００８】
特定の実施形態において、電気化学電池を作る方法は、電解質層を閉じたフェルマー螺旋の実質的に中に形成することであって、電解質層は、第一の側および第二の側を有し得る、ことと、カソード層を電解質層の第一の側の少なくとも一部分と関連づけることと、アノード層を電解質層の第二の側の少なくとも一部分と関連づけることとを包含する。
【０００９】
本教示の別の局面は、電気化学電池を運転する方法に関する。一部の実施形態において、実質的に円筒形の電気化学電池を運転する方法は、燃料を、電気化学電池を通って流れさせることであって、燃料は、第一の平均の燃料半径で電気化学電池に入り、第二の平均の燃料半径で出る、ことと、酸化体を、電気化学電池を通って流れさせることであって、酸化体は、第一の平均の酸化体半径で電気化学電池に入り、第二の平均の酸化体半径で出る、こととを包含する。一部の実施形態において、燃料および酸化体の流れは、同一の軸方向に流れ得る。特定の実施形態において、燃料および酸化体は、対向する軸方向に流れ得る。一部の実施形態において、第一の平均の燃料半径は、第二の平均の燃料半径よりも小さく、第一の平均の酸化体半径は、第二の平均の酸化体半径よりも小さい。
【００１０】
様々な実施形態において、電気化学電池を運転する方法は、電気化学電池を通って流体を導くことであって、電気化学電池は、実質的に円筒形であり、かつ軸方向の長さを有し、流体は濃度を有する、ことと、流体の濃度を電気化学電池の軸方向の長さの少なくとも一部分に沿って半径方向に変えることとを包含する。
【００１１】
特定の実施形態において、実質的に円筒形の電気化学電池を運転する方法は、燃料の流れを電気化学電池の軸におよそ沿って電気化学電池の中に導くことと、電気化学電池内の燃料の流れを電気化学電池の軸方向の長さの少なくとも一部分に沿って増大するアノードの表面積に曝露することとを包含する。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
電気化学電池であって、
アノード層と、
カソード層と、
該アノード層および該カソード層のうちの１つとのイオンまたは陽子の連絡状態のうちの少なくとも１つの状態にある電解質層であって、該アノード層、該電解質層、および該カソード層は、閉じたフェルマー螺旋を一体的に実質的に形成する、電解質層と、
該アノード層に隣接した燃料チャネルと、
該カソード層に隣接した酸化体チャネルと
を備えている、電気化学電池。
（項目２）
電気化学電池であって、
アノード層と、
カソード層と、
電解質層と
を備え、
該電解質層は、多層部材を形成するために、該アノード層と該カソード層との間に挿入され、該アノード層および該カソード層のうちの１つは、該電解質とのイオンまたは陽子の連絡状態のうちの少なくとも１つの状態にあり、
該多層部材は、燃料チャネルおよび酸化体チャネルを備えている閉じたフェルマー螺旋を実質的に形成し、該燃料チャネルは、該アノード層によって形成された内側境界と、該アノード層によって形成された外側境界とを備え、該酸化体チャネルは、該カソード層によって形成された内側境界と、該カソード層によって形成された外側境界とを備えている、電気化学電池。
（項目３）
前記アノード層は、改質層をさらに備えている、項目１または項目２に記載の電気化学電池。
（項目４）
前記アノード層、前記電解質層、および前記カソード層の各々は、約５μｍと約２，０００μｍとの間の幅を有している、項目１〜項目３のうちのいずれか一項に記載の電気化学電池。
（項目５）
前記電気化学電池は、アノード支持型の電気化学電池、カソード支持型の電気化学電池、電解質支持型の電気化学電池、金属支持型の電気化学電池、または基板支持型の電気化学電池である、項目１〜項目４のうちのいずれか一項に記載の電気化学電池。
（項目６）
前記燃料チャネルおよび前記酸化体チャネルの各々は、約０．１ｍｍと約５ｍｍとの間の幅を有している、項目１〜項目５のうちのいずれか一項に記載の電気化学電池。
（項目７）
前記電解質層は、イオン伝導体または陽子伝導体を備えている、項目１〜項目６のうちのいずれか一項に記載の電気化学電池。
（項目８）
前記電気化学電池は、固体酸化物燃料電池である、項目１〜項目７のうちのいずれか一項に記載の電気化学電池。
（項目９）
電気化学電池を作る方法であって、
第一の層を閉じたフェルマー螺旋の実質的に中に形成することであって、該第一の層は、第一の側および第二の側を有することと、
第二の層を該第一の層の該第一の側の少なくとも一部分と関連づけることと、
第三の層を該第二の層の少なくとも一部分と関連づけることであって、１つ以上の層は、電極材料を含み、１つの層は、電解質材料を含んでいる、ことと
を包含する、方法。
（項目１０）
前記第一の層を事前焼成することをさらに包含する、項目９に記載の方法。
（項目１１）
前記第一の層および前記第二の層を焼成することをさらに包含する、項目９または項目１０に記載の方法。
（項目１２）
前記電気化学電池を焼成することをさらに包含する、項目９〜項目１１のうちのいずれか一項に記載の方法。
（項目１３）
前記第一の層を形成することは、押し出し成形、ゲルキャスティング、または３−Ｄ印刷を包含する、項目９〜項目１２のうちのいずれか一項に記載の方法。
（項目１４）
前記第一の層を形成することは、ボイドを前記電気化学電池中に作り出すために細孔フォーマを用いることを包含する、項目９〜項目１３のうちのいずれか一項に記載の方法。
（項目１５）
前記細孔フォーマを除去することを包含する、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記第二の層を関連づけることは、浸せき被覆またはゲルキャスティングを包含する、項目９〜項目１４のうちのいずれか一項に記載の方法。
（項目１７）
前記第二の層を関連づけることは、前記第一の層の前記第二の側をマスキングすることをさらに包含する、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
前記第三の層を関連づけることは、浸せき被覆またはゲルキャスティングを包含する、項目９〜項目１７のうちのいずれか一項に記載の方法。
（項目１９）
前記第一の層および前記第三の層の各々は、電極材料を含み、前記第二の層は、電解質材料を含んでいる、項目９〜項目１８のうちのいずれか一項に記載の方法。
（項目２０）
改質触媒を前記第一の層の前記第二の側または前記第三の層の露出した側と関連づけることを包含する、項目９〜項目１９のうちのいずれか一項に記載の方法。
（項目２１）
第四の層を前記第三の層の少なくとも一部分と関連づけることであって、前記第一の層は、支持を含み、前記第二の層および該第四の層は、電極を含み、該第三の層は、電解質を含んでいる、項目９〜項目１８のうちのいずれか一項に記載の方法。
（項目２２）
実質的に円筒形の電気化学電池を運転する方法であって、
燃料を、該電気化学電池を通って流れさせることであって、該燃料は、第一の平均の燃料半径で該電気化学電池に入り、第二の平均の燃料半径で出る、ことと、
酸化体を、該電気化学電池を通って流れさせることであって、該酸化体は、第一の平均の酸化体半径で該電気化学電池に入り、第二の平均の酸化体半径で出て、該第一の平均の燃料半径および該第一の平均の酸化体半径は、該第二の平均の燃料半径および該第二の平均の燃料半径よりもそれぞれ小さい、ことと
を包含する、方法。
（項目２３）
前記燃料および前記酸化体は、同一の軸方向に流れる、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
前記燃料および前記酸化体は、対向する軸方向に流れる、項目２２に記載の方法。
（項目２５）
電気化学電池を運転する方法であって、
電気化学電池を通って流体を導くことであって、該電気化学電池は、実質的に円筒形であり、かつ軸方向の長さを有し、該流体は、濃度を有している、ことと、
該電気化学電池の該軸方向の長さの少なくとも一部分に沿って該流体の該濃度を半径方向に変えることと
を包含する、方法。
（項目２６）
実質的に円筒形の電気化学電池を運転する方法であって、
燃料の流れを、該電気化学電池の軸におよそ沿って該電気化学電池の中に導くことと、
該電気化学電池内の該燃料の流れを、該電気化学電池の該軸方向の長さの少なくとも一部分に沿って増大するアノードの表面積に曝露することと
を包含する、方法。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
図面は、本教示の原理を例示することに概して重点が置かれ、必ずしも縮尺通りではないことは理解されるべきである。図面は、いかなる点においても本教示の範囲を限定することを意図されていない。
【図１】図１は、フェルマー螺旋の概略図である。
【図２】図２は、閉じたフェルマー螺旋の概略図である。
【図３】図３は、本教示に従った、電気化学電池の一実施形態の概略的斜視図である。
【図４】図４は、図３に例示されている実施形態の３Ａ−３Ｂにおける断面図である。
【図５】図５は、本教示の電気化学電池を製造する方法の一実施形態の高い水準のフローチャートである。
【図６】図６は、本教示の電気化学電池を運転する方法の一実施形態の高い水準のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本教示は、電気化学電池の外形寸法を増大させることなく、電気化学電池に改善された電力および電圧性能と、燃料利用とを提供し得る。例えば、本教示は、フェルマー螺旋を表す内部構造を有する管形の電気化学電池を含む。一実施形態において、内部構造は、閉じたフェルマー螺旋形状を表す実質的に平面の多層部材（アノード、カソードおよび電解質を備える）であり、それによって、燃料チャネルと酸化体チャネルとが、多層部材のいずれの側でも形成される。本教示は、従来技術の同じ外形寸法の管形電気化学電池と比べて、より高い容積出力密度を有する電気化学電池を設計するために用いられ得る。
【００１４】
デバイスまたは構成物が、特定の構成要素を有するか、含むか、または備えることとして記載され、あるいはプロセスが、特定のプロセス段階を有するか、含むか、または包含することとして記載される説明にわたって、本教示の構成物がまた、説明された構成要素から本質的に成るかまたはそれらから成り、そして本教示のプロセスがまた、説明された処理ステップから本質的に成るかまたはそれらから成ることが企図されている。方法が動作可能であり続ける限り、ステップの順序または特定のアクションを実行する順序が重要でないことは理解されるべきである。さらに、２つ以上のステップまたはアクションが同時に遂行され得る。
【００１５】
本出願においては、要素または構成要素が、説明された要素または構成要素のリストに含まれ、かつ／またはそのリストから選択されることを表し、要素または構成要素が、説明された要素または構成要素のうちのいずれか１つであり得、説明された要素または構成要素の２つ以上から選択され得ることは理解されるべきである。さらに、本明細書中に明示的であるかまたは暗黙的であるかにかかわらず、本明細書中に記載された構成物、装置、または方法の要素および／または機能が、本教示の精神および範囲から逸脱することなく様々な方法で組み合わされ得ることは理解されるべきである。
【００１６】
本発明の図および説明が、本教示の明瞭な理解に適した要素を例示するために簡単化される一方で、明快さの目的のために他の要素を取り除いていることは理解されるはずである。例えば、押し出し成形、ゲルキャスティング、または３−Ｄ印刷に関連する特定の詳細は、本明細書中に記載されていない。しかしながら、当業者は、これらの製造技術および他の製造技術が、複雑な形状を作り出すために有益であり得ることを認識するであろう。そのような技術の詳細な議論は、そのような技術が当該分野において周知であり、かつそのような議論が本教示に関するよりよい理解を容易にしないので、提供されていない。
【００１７】
違った形で特に述べられない限り、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」の使用は、概して限度を設定せず、かつ限定ではないとして理解されるべきである。
【００１８】
違った形で特に述べられない限り、本明細書中の単数形の使用は、複数形（そして逆もまた同様）を含む。さらに、用語「約（ａｂｏｕｔ）」の使用は、定量値に先んじ、違った形で特に述べられない限り、本教示はまた特定の定量値自体を含む。
【００１９】
例示的な実施形態の以下の議論において、用語「フェルマー螺旋」は概して、図１に示された螺旋５０などの放物線状の螺旋を表している。螺旋５０は、アルキメデス螺旋の一類型のフェルマー螺旋であり、極座標における次の式、
ｒ＝±θ１／２
に従う（さらに一般的には、フェルマーの螺旋は、ｒ２＝ａ２θ、に従う）。当業者は、フェルマー螺旋の変化が、本教示の原理から逸脱することなく用いられ得ることを認識するであろう。
【００２０】
用語「閉じたフェルマー螺旋」は、図２に示された態様などのように螺旋自体が閉じているフェルマー螺旋を表している。図２は、第一の端部４と、第二の端部６とが閉じている例示的な閉じたフェルマー螺旋２を示す。
【００２１】
図３は、本教示に従った、概して円筒形の形状と、閉じたフェルマー螺旋を表す断面とを有する例示的な電気化学電池１０の概略的斜視図である。示されているように、電気化学電池１０は、第一の端部３２と、中間位置３４と、第二の端部３６とを含む。
【００２２】
電気化学電池は、例えば、燃料電池または電解槽を含む当該分野において公知の任意のタイプの電気化学電池であり得る。本教示は、高温度の電池（例えば、固体酸化物燃料電池および溶融炭酸塩燃料電池）と、低温度の電池（例えば、燐酸燃料電池および陽子交換膜燃料電池）とを含む広範囲の温度で動作する燃料電池を含んでいる。
【００２３】
図４は、図３に例示された実施形態の３Ａ−３Ｂにおける断面図である。電気化学電池１０は、アノード１２と、電解質１４と、カソード１６と、燃料チャネル１８（アノード１２に隣接する）と、酸化体チャネル２０（カソード１６に隣接する）とを含み得る。例示された実施形態において、電解質１４は、アノード１２とカソード１６との間に挿入され、それによって、アノード１２と、電解質１４と、カソード１６とが一体的に多層部材１９を形成している。多層部材１９はまた、実質的に円筒形の形状を有し、閉じたフェルマー螺旋を表す断面を示す。示されているように、電気化学電池１０はまた、半径の中心２６と、半径の半分２８と、半径３０とを含む。運転においては、空気などの酸化体が、酸化体チャネル２０を通って流れ、燃料が、燃料チャネル１８を通って軸方向の同じ方向または対向する方向に流れる。酸化体チャネル２０中の酸化体分子が、カソード１６に浸透し、そして電解質１４に接触し、そこでは、イオン伝導体の場合には、酸素イオンが形成される。酸素イオンは、電解質１４中に拡散し、そして多層部材１９の他方の側に移動し、そこでは、酸素イオンが、アノード１２と、燃料チャネル１８を通って流れる燃料とに出会う。
【００２４】
アノード層（すなわち、アノード）は、約５μｍから約２，０００μｍに及ぶ幅を有する実質的に平面の寸法を有し得る。電気化学電池は、アノードが耐力構造、例えば、アノード、カソードおよび電解質の中で最も大きな機械的強度を有するという点においてアノード支持型であり得る。アノード支持型の実施形態において、アノードは、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲の幅を有し得る。そのような実施形態によると、電解質は、約５μｍ〜約５０μｍの幅を有し得、カソードは、約１０μｍ〜約１００μｍの幅を有し得る。
【００２５】
構成的に、アノードは、当該分野で公知の任意の適切な多孔性の電極材料から作られ得る。例えば、アノードは、セラミック材料またはサーメット材料から作られ得る。セラミック材料またはサーメット材料中のセラミック成分は、例えば、ジルコニアベースの材料またはセリアベースの材料を含み得る。例示的な材料は、安定化ジルコニア（例えば、イットリア安定化ジルコニア、特に、（ＺｒＯ２）０．９２（Ｙ２Ｏ３）０．０８）と、ドーピングしたセリア（例えば、ガドリニウムでドーピングしたセリア、特に、（Ｃｅ０．９０Ｇｄ０．１０）Ｏ１．９５）とを含むが、これらに限定されない。サーメット材料の場合には、金属成分は、１つ以上の遷移金属、それらの合金、および／または物理的な混合物を含み得る。金属成分（例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、およびＷ）は、酸化物または塩（例えば、ＮｉＯ、Ｎｉ（ＮＯ３）２）という形態で導入され得、サーメット材料の総体積に基づいて、約３０．０体積％から体積約８０．０％までの範囲に存在し得る。例えば、アノードは、イットリア安定化ジルコニアを有する多孔性のニッケルサーメットであり得る。他の適切な電極材料は、金属成分を含み得るかまたは含まないことがあり得るアルミナおよび／または酸化チタンベースのセラミックスを含む。
【００２６】
様々な実施形態においては、同時係属中の米国出願第１１／８８０，１０５号（この内容全体が、参考として本明細書中に援用される）に開示されているように、アノード層はまた改質層を含み得る。改質層は、部分酸化改質触媒、水蒸気改質触媒および／または自動熱改質触媒を含み得る。改質層および電解質層は、全体的にまたは部分的にアノード層の反対側と関連づけられ得る。当業者は、電池がアノード支持型か、カソード支持型か、電解質支持型か、基板支持型か否かにかかわらず、改質層が電気化学電池のアノード層と関連づけられ得ることを認識するであろう。
【００２７】
カソード層（すなわち、カソード）は、約５μｍから約２ｍｍに及ぶ幅を有する実質的に平面の寸法を有し得る。電気化学電池は、カソード支持型であり得る。カソード支持型電気化学電池に対しては、カソードは、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲の幅を有し得る。カソード支持型電気化学電池において、電解質は、約５μｍ〜約５０μｍの幅を有し得、アノードは、約５μｍ〜約１００μｍの幅を有し得る。カソードは、当該分野で公知の任意の電気伝導性で、かつ多孔性の材料であり得る。適切なカソード材料の例は、ランタン亜マンガン酸塩ペロブスカイトセラミックス、ランタンフェライトペロブスカイトセラミックス、プラセオジム亜マンガン酸塩ペロブスカイトセラミックス、およびプラセオジムフェライトペロブスカイトセラミックスなどの様々なペロブスカイトを含むが、これらに限定されない。
【００２８】
電解質層（すなわち、電解質）は、約５μｍから約２，０００μｍに及ぶ幅を有する実質的に平面の寸法を有し得る。電気化学電池は、電解質支持型であり得る。電解質支持型電気化学電池に対しては、電解質は、約０．１ｍｍ〜約２ｍｍの範囲の幅を有し得る。電解質支持型電気化学電池において、アノードは、約５μｍ〜約１００μｍの幅を有し得、カソードは、約５μｍ〜約１００μｍの幅を有し得る。
【００２９】
電解質層（すなわち、電解質）は、任意のイオン伝導性または陽子伝導性の材料であり得る。一部の実施形態において、電解質は、セラミック材料またはサーメット材料から作られ得る。
【００３０】
イオン伝導体は、電解質層を通るイオンの移動を可能にする。イオン伝導体は、伝導体の結晶格子内のボイドスペース（ｖｏｉｄ  ｓｐａｃｅ）を通るイオンの動きが原因で伝導性である、固体の電気伝導体である。適切なイオン伝導体材料は、蛍石で構造化された電解質、ジルコニアベースの酸化物イオン伝導体、セリアベースの酸化物イオン伝導体、ペロブスカイトで構造化された電解質、およびブラウンミラーライト（Ｂｒｏｗｎｍｉｌｌｅｒｉｔｅ）を含む。
【００３１】
陽子伝導体は、電解質層を通る陽子の移動を可能にする。陽子伝導体は、固体電解質などの電解質であり、そこでは、移動可能な水素イオン（陽子）が主要な電荷キャリアである。陽子伝導体は、ポリマーまたはセラミックから構成され得る。適切な陽子伝導体材料は、ＢａＣｅＯ３ベースの化合物と、ＳｒＺｒＯ３ベースの化合物と、ＣａＺｒＯ３ベースの化合物と、ＧｄでドーピングしたＢａＴｈＯ３およびＢａＴｂＯ３と、ＢａＴｈ０．９Ｇａ０．１Ｏ３，Ｓｒ２Ｇｄ２Ｏ５と、Ｓｒ２Ｄｙ２Ｏ５とを含む。様々な実施形態において、電解質層は、ドーピングしたジルコニアの薄く、かつ稠密な層などのドーピングしたセラミックから作られ得る。
【００３２】
燃料チャネルは、アノードへの燃料の送達を可能にする。燃料チャネルは、約０．１ｍｍと約５ｍｍとの間の幅を有し得、該幅は、図４に示されたように、アノード層の間の間隔によって規定される。このように、燃料チャネルは、アノード層によって形成された内側境界と、アノード層によって形成された外側境界とを有する。当業者は、燃料チャネルが、電気化学電池のいずれの端部でも燃料を受け入れるように構成され得ることを認識するであろう。
【００３３】
酸化体チャネルは、カソードへの酸化体の送達を可能にする。酸化体チャネルは、約０．１ｍｍと約５ｍｍとの間の幅を有し得、該幅は、図４に示されたように、カソード層の間の間隔によって規定される。このように、酸化体層は、カソード層によって形成された内側境界と、カソード層によって形成された外側境界とを有する。当業者は、酸化体チャネルが、電気化学電池のいずれの端部でも酸化体を受け入れるように構成され得ることを認識するであろう。
【００３４】
電気化学電池はまた、アノード、カソード、および電解質に加えて、電池を機械的に支持する支持層を含み得る。例示的な支持材料は、サーメットと、セラミックス（例えば、アルミナ、ジルコニア、およびランタン（ｌａｔｈａｎｉｕｍ）亜クロム酸塩）と、金属とを含み得る。
【００３５】
図５は、本教示に従った、電気化学電池を製造する例示的な方法５００の流れ図を示している。ステップ５０２において、支持構造体または第一の層が、押し出し成形、ゲルキャスティング、または３−Ｄ印刷を含む、当業者に公知の技術を用いてフェルマー螺旋の形状で形成される。ステップ５０２はまた、固体の支持体を作り出すために、第一の層を適切な温度で焼成することを含み得る。
【００３６】
押し出し成形は、一定の断面プロフィールの物体を作り出すために用いられる製造プロセスである。第一の層は、所望のプロフィール形状（すなわち、閉じたフェルマー螺旋）のダイを通って押され、かつ／または引かれ得る。
【００３７】
ゲルキャスティングは、複雑な形状を作るためのスリップ鋳造に類似する形成プロセスである。ゲルキャスティングにおいて、セラミック粉体のスリップが、有機モノマーの溶液と組み合わされ、型に導入される。型の内容は、強い、架橋構造を形成するためにポリマー化され得る。型は、金属および有機体の材料（すなわち、ワックス、ポリマー、および黒鉛）を含む様々な材料から作られ得る。有機体の型では、熱処理の間に有機体の型が焼き落とされ得るので、型から取り出すことが不要である。本教示に従うと、型は、フェルマー螺旋の形状であり得る。
【００３８】
三次元印刷（３−Ｄ印刷）は、層状の所望の形状を造ることを表している。形状または所望の部品のコンピュータモデルを用いて、スライシングアルゴリズムが、各々の層に対する詳細情報を生成する。各々の層は、粉体ベッドの表面上に散布された粉体の薄い分布から始まる。インクジェット印刷に類似する技術を用いて、バインダ材料が、層が形成される所で粉体粒子を選択的に接合する。粉体ベッドと、進行中の部分とを支持するピストンが下がり、それによって、次の粉体層が散布され、選択的に接合され得る。この層毎のプロセスは、部品が完成するまで繰り返される。未結合の粉体を除去した後、熱処理が、バインダを燃やし、部品の強度を増大させ、かつ／または次の処理ステップ用の望ましい構造体を作り出すために必要であり得る。
【００３９】
ステップ５０４において、第一の層が形成され、かつ一部の実施形態においては、焼成された後、第二の層が、第一の層の第一の側（すなわち、反対の側であり、そこに改質層が付与されている）の少なくとも一部分または第一の層の全体と関連づけられ得る。第二の層は、浸せき被覆、ゲルキャスティング、または他の薄膜付与手段を介して第一の層と関連づけられ得る。
【００４０】
浸せき被覆は、第二の層の材料の溶液を準備し、第一の層を溶液の中に浸し、アノードを第二の層によって被覆することを含んでいる。第一の層の特定の領域は、被覆を特定の領域に制限するためにマスキングされ得る。マスクは、テープ、ワックス、あるいはマスキングされた領域を溶液への曝露から保護する当業者に公知の任意の他の材料または方法であり得る。例えば、第一の層が第一の層の第一の側の上を第二の層で被覆される場合には、第一の層の第二の側がマスキングされ得、それによって、溶液が第一の層の第一の側だけを曝露する。第二の層が第一の層の第一の側と関連づけられた後、マスクが除去され得、第二の層と第一の層との両方が焼成され得る。
【００４１】
ステップ５０６において、第三の層が、第二の層と関連づけられ得る。第三の層は、第二の層の少なくとも一部分または第二の層全体と関連づけられ得る。第三の層は、第二の層を第一の層と関連づけるために上記された浸せき被覆、ゲルキャスティング、または他の薄膜付与手段と同じ態様において、第二の層と関連づけられ得る。第三の層が第二の層と関連づけられた後、電気化学電池全体が焼成され得る。
【００４２】
第一の層が第一の側と第二の側とを有する実質的に平面のアノード層である場合には、改質層が、第二の層を第一の層と関連づけるために上記されたことと同じ態様において、アノードの第二の側に付与され得る。
【００４３】
様々な実施形態において、第一の層および第三の層が電極であり得、第二の層が電解質であり得る。一部の実施形態においては、第一の層がアノードであり得、第三の層がカソードであり得、第二の層が電解質であり得、それによって、アノード支持型の電気化学電池を作り出す。一部の実施形態においては、第一の層がカソードであり得、第三の層がアノードであり得、第二の層が電解質であり得、それによって、カソード支持型の電気化学電池を作り出す。カソード支持型電気化学電池においては、改質層が、第三の層（すなわち、上で論じられたようなアノード層）と関連づけられ得る。
【００４４】
一部の実施形態においては、第一の層が電解質であり、第二の層および第三の層が、両方とも第一の層と関連づけられた電極であり、それによって、電解質支持型電気化学電池を作り出す。第二の層および第三の層は、上記のように、浸せき被覆、ゲルキャスティング、または他の薄膜付与手段を用いて第一の層と関連づけられ得る。第三の層がアノード層である場合には、第四の改質層がアノードと関連づけられ得る。
【００４５】
様々な実施形態において、電気化学電池は、第三の層の少なくとも一部分と関連づけられた第四の層を含んでいる基板支持型であり得る。これらの実施形態においては、第一の層が基板であり得、第二の層および第四の層が電極であり得、第三の層が電解質であり得、それによって、基板支持型の電気化学電池を作り出す。基板は、セラミックス、サーメット、または金属から構成され得る。さらに、第五の層が第四の層と関連づけられ得、例えば、第五の層は、アノード層と関連づけられた改質層であり得る。さらに、全体の改質材料または一部分の改質材料が支持層に実装され得る。全体の改質は、入って来る燃料が支持層に配置された改質層において完全に改質され得ることを暗示している。一部分の改質は、支持層に配置された改質層が入って来る燃料の一部分を単に改質し得ることを暗示している。一部の実施形態において、入って来る燃料の残りは、燃料電池のアノードで改質され得る。
【００４６】
一部の実施形態において、燃料チャネルおよび酸化体チャネルは、上で論じられた押し出し成形、ゲルキャスティング、または３−Ｄ印刷プロセスを用いて形成され得る。一部の実施形態において、チャネルは、細孔フォーマ（ｆｏｒｍｅｒ）を用いて作られ得る。細孔フォーマは、物体中にボイドチャネルを作り出すために、破壊除去され得る材料である。例示的な細孔フォーマは、炭素ベースの材料、ストローまたは布地（織物、編物、ノッテッド（ｋｎｏｔｔｅｄ）繊維、タフテッド（ｔｕｆｔｅｄ）繊維、タイド（ｔｉｅｄ）繊維、不織の繊維を含む）、あるいは布材料を含むが、これらに限定されない。炭素、黒鉛、または他の材料は、燃焼を介して、あるいは溶剤による分解によって、またはセラミックまたはサーメット構造を損傷することなく細孔フォーマをセラミックまたはサーメットから除去するための、当業者に公知の任意の他の手段によって破壊除去され得る。
【００４７】
本教示の別の局面は、電気化学電池を運転する方法に関する。方法は、燃料を電気化学電池の燃料チャネルに入らせることと、電気化学電池の酸化体チャネルの中に酸化体を導くこととを包含する。燃料は、水素（アノードが改質層を有しない場合）であり得るか、または燃料は、アノード改質層で改質される炭化水素混合物であり得る。アノード層に付与された改質物のタイプに依存して、炭化水素混合物は、ガス状炭化水素または液状炭化水素、および空気（部分酸化改質）または水蒸気（水蒸気または自動熱改質）と混合され得る炭化水素の任意の形態であり得る。
【００４８】
図６は、本教示の電気化学電池を運転する例示的な方法６００の高い水準のフローチャートである。図４と図６との両方を参照すると、方法６００は、燃料が、例えば第一の端部３２から電気化学電池に入る場合に、ステップ６０２から始まる。燃料は、電気化学電池の断面全体に沿ってやや均一に燃料チャネル１８の中に導かれ得る。別の実施形態においては、燃料が、電気化学電池の単に半径の中心２６付近などの電気化学電池の断面全体未満で燃料チャネル１８の中に導かれ得る。別の例においては、燃料が、半径の中心２６と半径の半分２８との間で、または電気化学電池の半径方向の断面の他の位置で電気化学電池の中に均一に導かれ得る。当業者は、燃料が電池を長手方向に通過するときに、燃料を電池の断面全体未満で導くことが、燃料を半径方向外側に拡散させ得ることを認識するであろう。例えば、第一の端部３２の半径の中心２６と半径の半分２８との間で導入された燃料が、半径方向外側に半径３０に向かって拡散し得、それによって、燃料が第一の端部３２の平均の燃料半径よりも大きい平均の燃料半径で第二の端部３６を出て行く。当業者は、そのような半径方向の拡散が、燃料の濃度を電気化学電池に沿って変化させ得ることを認識するであろう。ステップ６０２は、第一の端部３２で導入された燃料に関して記載されたが、当業者は、燃料が第二の端部３６で導入され得ることを認識するであろう。
【００４９】
燃料は、当業者に公知の任意の送達機構を介して電気化学電池に送達され得る。例えば、燃料は、燃料ポンプを介してまたは燃料容器内に含まれる圧力を用いて電気化学電池の中に送達され得る。
【００５０】
方法６００のステップ６０４は、電気化学電池を通って酸化体を流れさせることを含み、そこでは、酸化体が、第一の平均の酸化体半径で入り、第二の平均の酸化体半径で出る。酸化体が、一般にフェルマー螺旋の酸化体チャネルを通ってではあるが、燃料に関して上記されたことと実質的に同じ態様で電気化学電池の中に導入され得る。
【００５１】
燃料および酸化体の各々は、電気化学電池の同じ端部に導かれ得るか、または電気化学電池の対向する端部に導かれ得る。例えば、燃料は、電気化学電池の第一の端部で燃料チャネルの中に導かれ得、酸化体は、第二の端部で酸化体チャネルの中に導かれ得る。
【００５２】
特定の実施形態において、電気化学電池を運転する方法は、濃度を有する流体を本教示の実質的に円筒形の電気化学電池を通って導くことを包含する。電気化学電池の構造が原因で、流体の濃度は、電気化学電池の軸方向の少なくとも一部分に沿って半径方向に変わる。流体は、燃料、酸化体、または排気であり得る。
【００５３】
図４を参照すると、上記されたように、当業者は、燃料の流れ（すなわち燃料）を半径の中心２６に向かって付勢することが、燃料の流れを電池の長手方向の軸の少なくとも一部分に沿って増大するアノードの表面積に曝露し得ることを認識するであろう。例えば、燃料の流れが第一の端部３２でフェルマーの螺旋形状の電気化学電池の半径の中心に導かれる場合には、燃料の流れが、電池の長手方向の軸に沿って半径方向に拡散し、燃料と反応するより多くのアノードの表面積に出会い得る。その点で、当業者はまた、燃料の流れを半径の中心２６に導くことが、電池の出力プロフィールを平坦化し得ることを認識し得る。
【００５４】
さらに、電気化学電池のフェルマー螺旋設計は、等しいサイズの標準的な管形の電気化学電池に比べて温度を調節し得る。例えば、燃料および酸化体が電気化学電池の半径の中心で電気化学電池の中に導かれる場合には、燃料および酸化体の最高濃度が、電池の半径の中心にあり得る。燃料および酸化体はまた、電気化学電池の半径の中心で、電池の半径の縁よりも高い速度で移動し得る。燃料および酸化体の一部が、高濃度にもかかわらず燃料および酸化体の比較的高い速度が原因で、電池の中心で反応しない。従って、電池の中心が過度の温度に達する可能性が減少し、従って、電気化学電池に対する熱衝撃の可能性が低減される。酸化体および燃料が螺旋に沿って半径方向外側に移動するので、酸化体および燃料のそれぞれの速度が減少する。速度におけるこの減少は、アノードおよびカソードと反応するために燃料および酸化体が有する滞留時間を増大させる。さらに、燃料および酸化体が半径方向に拡散するので、燃料および酸化体は、電気化学的によりアクティブに反応する表面積に曝露される。従って、電池の中心の反応速度は、電池の外側の縁の反応速度よりもさほど高くない。反応速度が電気化学電池の動作温度に直接関係しているので、電気化学電池の半径方向の温度プロフィールは、標準的管形電池におけるよりもいくぶん平坦であり得る。さらに、電気化学電池の螺旋形状は、電池の温度が運転の間に上昇する場合に、電池の半径方向の膨張に適応し得る。
【００５５】
本教示の実施形態はまた、同様な外形寸法の標準的管形電池に対して、電池およびスタックの容積出力密度を有意に増大させ得る。燃料および酸化体が同様な外形寸法の電池と比べて増大された電気化学的にアクティブな反応する表面を有するので、燃料のより大きな割合が反応し、従って、同じ外形寸法の電気化学電池よりも多くの電気を生産する。例えば、設計に依存して、本教示の電気化学電池は、同じ運転条件（すなわち、燃料および酸化体の流量、温度、電気的負荷、および圧力）において、約５０％〜約３００％の出力増加の範囲で増大した電力出力を発生できる。
【００５６】
（他の実施形態）
本教示は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、上記されていない他の特定の形態に組み入れられ得る。従って、上記の実施形態は、すべての点において、本明細書に記載された本教示を限定するのではなく例示と考えられることである。本発明の範囲は、従って、上記の説明によってではなく添付の特許請求の範囲によって示され、すべての変更は、特許請求の範囲の均等物の意味および範囲の内にもたらされ、その内に包含されることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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